2017, Vol. 23 
doi: 
2. 西北农林科技大学生命学院，陕西杨凌 712100
2. College of Life Sciences, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
水和肥是影响农作物生长的两个最重要因素，水离不开肥、肥离不开水，二者相互作用相互制约，共同决定作物的生长发育及产量和品质。营养元素必须溶解于水中才能在土壤中迁移、扩散，被作物吸收利用。营养元素是植物的结构物质和生长基础，作物在没有营养元素的纯水中不能生长发育或发育不良[1]。所以在植物营养生理研究和农业生产中水肥是不分家的，但是水分和养分的吸收过程又是相对独立的。由于水肥吸收利用的复杂性和供给的多变性使得二者往往很难协调供应，造成有限水肥资源的浪费和一系列不良的生态环境问题。
灌溉消耗了全球70%的淡水资源[2]，灌溉农田供应了全球40%的食物[3]。水资源总量不足、时空分布不均，水资源浪费严重，灌水利用率低下等严重影响我国农业生产的可持续发展。我国水资源总量为28亿m3，人均水资源量约2200 m3，约为世界平均值的25%[4]。长江淮河以北地区的水资源只有全国的20%，许多地方人均水资源量低于1700 m3的缺水警戒线。据统计我国农业灌溉水的利用效率只有1.0 kg/m3左右，旱地只有0.60～0.75 kg/m3，全国平均水分利用效率为0.8 kg/m3，远低于世界发达国家的水平[4]。Cai[5]模拟研究了美国里奥格兰德河 (RioGrande River) 和科罗拉多河 (Colorada River) 的河谷平原，中国长江、淮河和海河平原，印度的印度河 (Indus) 和恒河 (Ganges) 盆地等灌溉水资源供应及其对食物生产的效应，结果表明，由于水资源不足，基础设施落后，及快速增长的工业及居民生活用水，灌溉水资源不足及其对食物生产的影响会越来越严重，抵御严重干旱的能力下降。因此，发展节水农业、提高灌水效率，是我国乃至世界农业发展的必然趋势。
不合理灌溉的另一个负面效应是养分淋失与水源污染。作物生育期期间氮肥的淋溶损失达到25%[6]，玉米和小麦田的氮肥淋失率分别达到22%和15%[7]。在我国华北平原地区，由于过量施肥和不合理灌溉引起的土壤氮素淋失十分严重。灌溉和降雨是导致华北春玉米氮素淋失的主要因素，淋失量与施肥量成正比[8]。常规施肥灌水条件下，氮素损失量每季达到4.6～74.2 kg/hm2，优化灌溉可大大降低氮素的淋溶损失[9]。保护地的肥料氮损失率达到67.2%～94.7%，其中大水漫灌造成的淋溶损失是主要途径[10]。美国有些农业地区的溪流和地下水中也发现了高浓度的硝态氮，其与农田氮素总投入水平和灌溉等农业措施有关[11]。在集约化灌溉地区地下水中的硝酸盐每年增加1 mg/L[12]；有20%的井水中硝态氮含量超过了饮用水最高限量标准 (10 mg/L)[13]。养分或溶质随灌溉水向地下水的迁移被认为是非点源污染或面源污染[14]。地表水和地下水中硝酸盐的增高趋势日益受到人们的关注[15-16]。因此，优化灌溉和和合理施肥是提高水、氮利用效率的重要途径，也是防止浅层地下水和饮用水源污染的重要举措。
1 交替灌溉施肥技术的起源由于传统灌溉的水分利用率低、养分淋失严重，因此人们提出了许多新型节水灌溉技术，如滴灌 (膜下滴灌、痕量灌溉、微润灌溉和水肥一体化等)[17]、限水灌溉 (调亏灌溉、非充分灌溉)[4, 21]、精准灌溉[4]等。传统的沟灌技术由于投入少，不需要特殊的设备，一直是农田灌溉的主要方式，但为节约水资源、提高水分利用效率、减少养分淋失，需要对其进行改进和完善。交替灌溉或控制性分根交替灌溉就是在传统沟灌技术上发展起来的一种田面节水灌溉技术。
沟灌常被用在干旱、半干旱和半湿润地区的条播作物，如玉米、大豆和棉花等。为了使末端作物根区得到充分湿润，过量灌水经常引起水分和养分的深层渗漏损失[18]。20世纪70年代，交替沟灌作为减少深层渗漏[19]、增加雨水贮存、减少灌水定额、提高水分利用效率的策略被提出并研究[20]。康绍忠等[21]在交替灌溉的基础上，结合植物水分生理学原理，提出了控制性分根交替灌溉的概念。部分根区不灌溉，使其得到干旱锻炼，产生根源信号 (ABA)，控制叶片气孔开度，在不降低光合效率的基础上，降低蒸腾速率，提高水分利用效率[22–23]。
在交替灌溉条件下，将氮肥施到非灌溉沟可以减少硝态氮的淋失[18, 20]。在此基础上，我们提出交替灌溉施肥的概念，即在交替灌溉过程中，将氮肥施到非灌水沟，而在第二次灌溉施肥时，上一次的施肥沟变成灌水沟，而灌水沟变成施肥沟 (图1)。既避免了氮肥淋失，也使得各沟的肥水供应均匀[24]。
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| 图1 水肥异区交替灌溉施肥示意图 Fig. 1 Diagram of alternating furrow irrigation with separated water and N fertilizer supply [注（Note）：在夏玉米大喇叭口期和抽雄开花期追肥灌溉，灌溉和追肥分别在相邻两个沟中进行，两个时期灌溉和追肥沟位置互换Topdressing and irrigation at V12 stage and tasselling stage of summer maize, and exchanging the topdressing and irrigation furrows in the two stages.] |
1999年我们比较了几种交替灌溉方式的产量效应 (表1)，结果表明：与常规灌水施肥方式相比，非充分灌溉条件下不同水肥空间耦合的灌水量减少一半，玉米籽粒产量下降7%～16%，根系吸收养分能力、叶片光合速率、蒸腾效率则明显增加，而叶面积、蒸腾速率和硝酸还原酶活性均无明显变化。其中以水肥异区交替灌水的产量降低最少[24]。2000年我们比较了不同灌水量下不同交替灌溉模式的产量效应 (表1)，结果表明在全生育期灌水量为112.5 mm和60 mm的水平下，均匀施肥交替灌水、水肥同区交替灌水、水肥异区交替灌水3种水肥空间耦合方式的产量之间不存在显著差异 (P > 0.05)；玉米全生育期灌水量从225 mm下降到60 mm，玉米产量下降幅度小于15.26%；在相同灌水量下，水肥异区交替灌水和水肥同区交替灌水的根系活力、光合速率、产量和灌溉水利用效率较高。交替施肥灌溉的水分利用效率明显高于其他处理 [25]。2003～2004年，我们通过遮雨微区试验研究了交替施肥灌水的产量及其水、氮利用效率 (表1)，结果表明在低灌水量 (45 mm/次) 水平下水肥异区交替灌溉，施肥区和灌水区之间存在水势梯度差异，两区的NO3–-N含量也有差异；水肥异区交替灌溉的水分利用效率和肥料利用效率均高于均匀灌溉。在高灌水量 (90 mm/次) 水平下，水肥异区交替灌水与常规均匀灌水差异不显著，养分离子发生了强烈的淋洗[26]。低灌水量有利于提高水分利用效率[27]。在低灌水量条件下，水肥异区交替灌溉能使夏玉米保持较高的根系活力和正常生理代谢 (硝酸还原酶活性、光合作用等)，提高了叶片水分利用效率，从而达到节水增产的目的[28]。
| 表1 交替施肥灌溉条件下的夏玉米产量及其水、氮肥利用效率 Table 1 Yields, water and fertilizer N use efficiency in AFISWN (alternating furrow irrigation with separated waterand N fertilizer supply) practices |
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由于交替灌溉施肥效应与灌水量、施肥水平和环境效应等有关，2006～2011年，我们采用旋转组合设计研究了交替灌溉施肥条件下的灌水定额、施氮水平和种植密度等三因素的交互效应。在低密度条件下 (39000株/hm2)，最高产量以及相应水氮最佳配比为4076 kg/hm2、97.2 mm、N 230 kg/hm2。虽然产量略低于常规施肥灌水 (4698 kg/hm2)，但最高产量的水氮投入量远低于当地生产中的常规灌水量 (180 mm) 和施肥水平 (300 kg/hm2)，水肥异区交替灌溉施肥水分利用率和氮肥利用率则高于常规灌溉施肥[29]。在高密度下 (66667 株/hm2)，N 238～244 kg/hm2，配合95～106 mm灌水能够取得最高产量[30]。氮肥对产量和水分利用率有正效应；灌水可增加产量和氮素吸收利用，但降低水分利用效率；种植密度对产量、氮素吸收和水分利用效率具有正效应。在交替灌溉施肥条件下，氮肥、灌水和密度的最佳配置为N 245～255 kg/hm2，灌水量98～100 mm和密度58376～59467 株/hm2[31]。
3 交替灌溉施肥的环境效应 3.1 交替灌溉施肥对硝态氮淋失的影响水氮在空间上的不均匀分布势必影响水分和养分在土壤剖面中的迁移和分布。将肥料施到非灌水沟的主要目的是防止氮素与灌溉水的接触，减少养分的淋失风险[18, 20, 24]。Br– 示踪试验表明，与常规灌溉 (每行均匀灌溉ERFI) 相比，交替灌溉施肥 (ARFI) 可以减少Br– 的移动性，在整个生育期，Br– 保持在0—15 cm耕层，而常规灌溉条件下，Br– 下移到0.6 m处；当生育期遇到降雨时，ERFI处理的Br– 下移到1.22 m，而ARFI处理的Br–只下移到0.6 m处[32]。与常规施肥灌水方式 (均匀施肥均匀灌水、全生育期灌水量为250 mm) 相比，全生育期灌水量为112.5 mm和60 mm的水平下，均匀施肥交替灌水、水肥同区交替灌水、水肥异区交替灌水3种不同水肥空间耦合方式玉米植株吸收氮量略有下降，但增加了肥料氮在60 cm以上土壤中的残留量，从而减小了氮向下层土壤淋溶的风险；相同灌水量下，60 cm以上层次土壤氮素残留量大小顺序为水肥异区交替灌水处理 > 水肥同区交替灌水处理 > 均匀施肥交替灌水处理 [32]。模拟试验表明，水肥异区隔沟灌溉、水肥同区隔沟灌溉两种处理方式的灌溉水在剖面上均以垂直运动为主，同时也存在水平侧渗[33]。水肥同区隔沟灌溉处理的速效氮在剖面上垂直运动明显，处理后15天速效氮基本均匀地分布于0—100 cm土层内，速效氮含量在施肥区和未施肥区之间差异较小；而水肥异区隔沟灌溉处理的速效氮垂直运动程度小，速效氮主要分布在60 cm以上土层，速效氮水平运动不明显，施肥区速效氮含量远高于未施肥区。水肥异区处理的养分淋溶深度较小，淋失的可能性小，有利于养分长期在剖面较浅层次中分布，为作物吸收利用创造了条件[34]。微区试验表明，在低灌水量 (45 mm/次) 水平下水肥异区交替灌溉，施肥区和灌水区之间存在水势梯度差异；NO3–-N含量也有差异，施肥区的硝态氮主要分布0—40 cm土层，灌水区的峰值出现在160～180 cm；在高灌水量 (90 mm/次) 水平下，水肥异区交替灌水与常规均匀灌水差异不显著，NO3–-N发生了强烈的淋洗，说明交替灌溉已经失去意义。收获后，交替灌溉施肥残留量比传统灌溉要高，而水分残留量则相反[26, 48–49]。大田试验表明，交替灌溉条件下，玉米收获后土壤剖面中NO3–-N的残留与施肥量、灌水量和灌溉施肥模式有关。在不施肥和低施肥和低灌水条件下 (施N 100 kg/hm2，灌水40 mm)，土壤中的NO3–-N呈耗竭状态。在中量施肥灌水 (施N 230 kg/hm2，灌水90 mm) 和高量施肥灌水 (施N 300 kg/hm2，灌水180 mm) 条件下，土壤剖面有NO3–-N残留；施氮量越高，残留越大。其中交替施肥灌溉的NO3–-N主要残留在0—60 cm土层，而常规施肥灌溉处理的NO3–-N在0.6—2 m土层残留多[35]。说明交替灌溉施肥确实能减少氮素的淋溶风险。
尽管将肥料施在非灌水沟可降低氮素的淋失风险，但有可能减少作物对硝态氮的吸收。像硝态氮这样移动性强的养分主要靠质流在土壤中向根系迁移[36]，因此在水分有效性低的条件下会减少NO3–-N的吸收[37]。在干旱年份，将肥料施在非灌水沟，减少玉米吸氮量50%；在湿润年份，交替灌溉与常规灌溉的吸氮量无显著差异。常规灌溉处理生殖生长期的吸氮量只有总吸氮量的6%，而交替灌溉处理生殖生长期的吸氮量达到35%[38]。Skinner等研究表明交替沟灌并将肥料施于干沟内，可减少肥料淋溶的可能性，但作物对氮的吸收也减少；与普通灌溉相比，交替沟灌施肥条件下，土壤硝酸根含量在生殖生长期较高[39]。说明将肥料施到非灌水沟有延缓作物吸收的效应。
我们的研究并没有发现水肥异区交替灌溉施肥会显著减少植株氮素吸收。原因可能是施肥沟的水分有效性不会降低到影响氮素的运输和迁移的程度，因为灌水沟的水分存在侧向迁移，有部分水分可以侧渗到非灌水沟。为了验证这一假设，我们进行了室内模拟实验 (图2)。灌水在入渗的同时，还发生了明显的侧渗过程，经过15 h的入渗过程，入渗深度达到70 cm，侧渗距离达到了30 cm以上，因此侧渗完全可以满足肥料的溶解与养分扩散需求。另外，交替灌溉施肥后，第一次施肥沟变成灌水沟，也有利于施肥沟的养分吸收。不同试验结果差异的原因可能与灌水量、灌水方式和气候、土壤等条件的差异有关。例如早春低温潮湿，秋季早霜冻使得玉米不能完成生育周期，生殖生长缩短等会减少交替灌溉施肥的植株吸氮量[39]。而在湿热、没有霜冻影响的地区水氮异区隔沟灌溉是一种较好的水肥耦合模式[40]。
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| 图2 模拟灌水中的水分入渗与侧渗趋势 (灌水量为378 mm) Fig. 2 Infiltration and lateral diffusion trend of irrigation water in simulated irrigation (irrigation quota of 378 mm) |
水肥空间分布的异质性和不均匀性势必造成土壤水分、养分、热量和微生物活性等的不均匀分布，使得根系生长与活性[41–43]、土壤微生物活性和养分转化[44]等发生变化。水肥异区交替灌溉施肥，肥料施在非灌水沟，减少养分淋失的风险，但是养分在耕层的聚集，是否会造成氨挥发或其它气态氮的损失增加？与常规灌水施肥处理相比，水肥异区交替灌溉施肥可明显减少氨挥发损失[45]。但氨挥发受生育期及其气候条件、灌水量和施肥量的影响，玉米拔节期追肥灌水的氨挥发量和损失率远远小于抽雄期。在水肥异区交替灌溉条件下，当灌水量35 mm、氮施用量256 kg/hm2时的氨挥发量最低[46]。
交替灌溉条件下，2008和2009年大田氨挥发通量分别为N 4.8～17.0 kg/hm2和6.2～20.6 kg/hm2，作物产量和氨挥发通量随施氮量的增加而增加，反之亦然。在低灌水施肥条件下 (N 100 kg/hm2+40 mm灌水)，交替灌溉施肥可以降低氨挥发，中等灌水施肥条件下 (N 230 kg/hm2+90 mm灌水)，交替灌溉施肥与常规灌溉施肥无差异，而在高施肥灌溉条件下 (N 300 kg/hm2+180 mm灌水)，交替灌溉施肥的氨挥发量大于常规灌溉施肥[35]。原因是：低灌水量时侧渗到施肥沟的水分少，减少了尿素的水解，因此减少了氨挥发，而高灌水量时，侧渗水增加了尿素水解，但淋溶少，因此增加了氨挥发。氨挥发强度 (单位籽粒产量氨挥发通量) 是反映氮肥环境效应的一个指标，值越低说明生产单位粮食的环境效应越好，在交替灌溉施肥条件下，2008和2009年的氨挥发强度分别为每吨籽粒产量产生NH3+-N 1.2～3.0 kg和1.1～3.2 kg，模型模拟结果表明只要水氮配比适宜就可以降低氨挥发强度而维持产量不降低[46]，降低施肥对环境的负面影响。关于交替灌溉施肥条件下的硝化–反硝化研究较少。Han等[47]报道交替灌溉施肥的氧化亚氮释放通量为N 2.0～50.0 g/(hm2·d)，累积释放量为N 1277 g/(hm2·季)，而常规灌溉施肥的释放通量N 2.4～68.4 g/(hm2·d)，累积释放量为N 1695 g/(hm2·季)。在交替灌溉施肥条件下，优化施肥和灌水可以显著降低氧化亚氮释放而不降低产量。
4 交替灌溉施肥的适用性交替灌溉作为一种节水灌溉方式，在节约一半灌水量的情况下，产量小幅度下降，因此可以大幅度提高灌水效率。水肥异区交替灌溉施肥可以减少氮肥淋溶损失的潜在风险，防止地下水污染。适宜的水氮配比不但不降低产量，还可以增加产量，提高水分及养分利用效率，减少氮素淋溶风险和气态氮损失，因此具有良好的应用前景。但是其效应受环境条件、气候条件和灌水定额等的影响，因此有一定适用范围与条件。由于肥料处于干沟，在干旱年份会影响作物对养分的吸收利用。另外，施肥区的水分有效性比较差，肥效迟缓，进入生殖生长期仍然有35%的吸收量，如果生育后期有霜冻等因素，缩短了玉米生育期，就会大大减少氮素的吸收利用。在小麦–玉米轮作中夏玉米无晚霜冻的影响，因此适宜于水肥异区交替灌溉的实施。另外在湿热的夏玉米生长季，交替灌溉施肥有利于吸纳雨水，减少肥料淋失，可以充分发挥水肥异区交替灌溉的优势。
交替灌溉施肥就是利用水分和肥料在空间上的错位与不均匀分布，实现减少养分淋失，将养分保留在根系吸收层[17, 33, 47–48]，增加养分吸收的可能性。在适宜的水肥配合条件下，可以提高产量、减少养分淋失，提高水分、养分利用效率。但是如果灌水过多，灌水沟的水分向施肥沟大量测渗，两沟失去水分差异，一方面起不到锻炼根系、产生根源信号 (ABA) 的作用，另一方面也起不到减少养分淋失的作用，反而增加施肥沟的氨挥发风险。因此水肥耦合尤为重要，找到适宜的灌水量是保证水肥异区交替灌溉效应的前提条件。在本研究区域 (陕西关中冬小麦夏玉米一年两熟区) 的适宜灌水量为每次不能超过45～60 mm[48]。在实行交替灌溉施肥的时候，还要充分考虑种植密度或降雨情况。
适宜的水肥配合条件下，水肥异区交替灌溉施肥可以产生良好的经济和环境效应，如增加玉米产量、提高水分和氮肥吸收利用效率，减少NO3–-N淋溶、N2O排放和氨挥发等。但模拟试验表明，经济效应和环境效应之间存在互蚀作用 (trade-off)。当玉米收获后0.6—2.0 m土层中硝态氮最少，也就是说对地下水影响最小或肥料氮残留最少时，需要的灌水量比最佳经济效益的灌水量应该减少32%～36%，收入降低14%。采用农田氨挥发降到最低时的播种密度、灌水量和施肥量，经济收入将下降35%～37%。相反，要使得产量或经济收入最大化，玉米收获后的0.6—2.0 m土层深度NO3–-N残留N 38～40 kg/hm2，氨挥发增加48%～56%[49]。因此如何才能使得交替灌溉施肥的经济效应与环境效应相一致，还需要做更多的工作。
另外也需要大量模拟实验与大田试验探寻水肥异区交替灌溉施肥条件下水分、养分吸收利用机理，为进一步优化肥水管理提供科学指导；实践上应进一步明确水肥异区交替灌溉施肥的适用范围，为大范围推广这一技术提供科学依据。
5 结论水肥异区交替灌溉施肥可以节约灌溉水，提高灌水利用效率和氮肥利用效率；增加肥料在耕层存留，有利于当季和下一季作物吸收利用，减少肥料随水流失的风险。在适宜的水氮耦合条件下水肥异区交替灌溉施肥具有增产效应，同时可以减少农田气态氮损失。该技术适宜于在没有霜冻、比较湿热的春/夏玉米地区推广应用。
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